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復(fù)合材料作為多相異質(zhì)材料，具有復(fù)雜的宏微觀幾何特征。復(fù)合材料由纖維、基體與界面相組成，在鋪放、固化、成型、加工等制備過程、運(yùn)輸裝配過程與服役過程中，易誘發(fā)裂紋、孔洞、黏連、分層等缺陷，這些缺陷呈現(xiàn)多尺度隨機(jī)分布、三維幾何形貌復(fù)雜、失效作用機(jī)理多樣、誘發(fā)因素不確定等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性與使用壽命。

開展樹脂基復(fù)合材料的制造缺陷的評(píng)價(jià)表征，并揭示其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機(jī)制，對(duì)于復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度預(yù)測和可靠性評(píng)價(jià)意義重大。

 

1、樹脂基復(fù)合材料制造工藝與缺陷類型

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料常用的成型制造工藝包括手糊成型法、熱壓成型法、樹脂傳遞模塑成型法、纏繞成型法、擠壓成型法等。

復(fù)合材料常用制造工藝

 

復(fù)合材料的力學(xué)性能與缺陷受到成型方法與參數(shù)的決定性影響。在復(fù)合材料成型過程中，材料受真空壓力分布、樹脂流動(dòng)率、固化速度和固化壓力等制造因素的影響，誘發(fā)不同類型的制造缺陷。

復(fù)合材料常見缺陷類型與尺度

 

2、復(fù)合材料缺陷檢測方法

準(zhǔn)確檢測評(píng)估復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)于提高裝備服役安全性、降低維護(hù)成本至關(guān)重要，復(fù)合材料缺陷的表征評(píng)價(jià)需要覆蓋其整個(gè)生命周期：在制造階段，復(fù)合材料缺陷檢測評(píng)價(jià)可以有效評(píng)估其工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量壽命；在服役階段，檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)的損傷缺陷，能夠評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)和剩余壽命，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護(hù)與替換提供依據(jù)。

目前已經(jīng)有多種檢測方法用于樹脂基復(fù)合材料的缺陷檢測表征，常用的檢測方法可分為破壞性檢測和無損檢測兩大類。

 

1）破壞性檢測方法

破壞性檢測方法包括密度法、顯微照相法等。

密度法通過測量纖維、基體與復(fù)合材料的密度以及樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而計(jì)算出材料孔隙率，該方法相對(duì)簡單，不需要復(fù)雜儀器，得到了廣泛的應(yīng)用，但無法得到復(fù)合材料孔隙尺寸、形狀及其分布等信息，而且測量精度較差。

顯微照相法通過選定被測試樣的幾個(gè)截面，通過拋光或者切割觀察樣品截面，計(jì)算斷面內(nèi)的孔隙總面積與斷面面積的百分比從而得出孔隙率，該方法可以測定孔隙的形狀和分布情況，測量精度相對(duì)密度法稍有提升，但是要獲得較高精確度，必須對(duì)大量截面進(jìn)行檢測。

 

2）無損檢測方法

無損檢測方法主要包括聲發(fā)射檢測、超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、脈沖紅外熱成像檢測和太赫茲檢測等。

 

聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射（AE）方法是利用檢測物體受到外力發(fā)生形變或破壞時(shí)釋放局部能量而產(chǎn)生的聲信號(hào)，通過分析來檢測纖維斷裂、基體開裂、脫粘、分層等缺陷。聲發(fā)射檢測方法主要應(yīng)用于分析纖維和復(fù)合材料拉伸斷裂、軸壓壓縮等損傷過程，對(duì)于靜態(tài)物體的檢測較為困難。

聲發(fā)射檢測

超聲檢測

超聲檢測（UT）利用超聲波在檢測物體的入射波、透射波與反射波進(jìn)行分析，可以精確地測出缺陷尺寸與位置，具有較高靈活性與高準(zhǔn)確檢測效率，已被廣泛用于評(píng)估復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中的孔洞、裂紋與分層等缺陷。然而超聲檢測要求被測樣品表面平整，目前復(fù)雜構(gòu)型的超聲檢測與三維特征反演較為困難。

超聲檢測

射線檢測

射線檢測（RT）方法是一種在復(fù)合材料缺陷檢測中廣泛應(yīng)用的方法，根據(jù)X射線在穿過物體時(shí)材料不同組分對(duì)射線吸收能力不同，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料復(fù)雜缺陷的無損檢測。

X射線檢測方法具有靈敏度高、檢測結(jié)果直觀與適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足樹脂基復(fù)合材料中的孔洞、裂紋、分層等多種缺陷的檢測評(píng)價(jià)需求。然而X射線檢測方法檢測成本高，而且檢測過程具有輻照，需要專職人員在屏蔽設(shè)施中進(jìn)行操作。

射線檢測

CT表征方法

復(fù)合材料缺陷具有復(fù)雜的三維幾何特征，傳統(tǒng)的檢測評(píng)價(jià)方法很難實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料宏微觀缺陷復(fù)雜三維特征的定量化表征評(píng)價(jià)需求。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)作為在射線檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維檢測方法，實(shí)驗(yàn)測試中試樣放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，探測器接收X射線穿過物體不同角度的剩余能量，之后通過Radon逆運(yùn)算的算法重建出復(fù)合材料真實(shí)的三維信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)三維特征的檢測與評(píng)價(jià)，其中微焦點(diǎn)X射線CT掃描（Micro-CT）最高精度可達(dá)到500 nm，滿足復(fù)合材料纖維扭結(jié)斷裂、基體微裂紋等微觀特征的表征需求。

為了觀測外載下復(fù)合材料缺陷損傷演化過程，揭示復(fù)合材料的損傷演化與失效機(jī)理，近年來研究人員將力熱原位加載裝置與Micro-CT相結(jié)合，開發(fā)了多場原位CT成像裝置，追蹤復(fù)合材料的損傷演化過程。

法國波爾多大學(xué)的Mazars等搭建了高溫原位CT設(shè)備，觀測了室溫和1250℃下SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的失效行為，并通過數(shù)字體相關(guān)方法提取了殘差場分析材料損傷機(jī)理，原位CT表征結(jié)果表明常溫與高溫下復(fù)合材料破壞分別由裂紋擴(kuò)展與纖維剝離導(dǎo)致。

法國波爾多大學(xué)的高溫原位CT設(shè)備

美國加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Bale等搭建了1750℃的超高溫原位加載CT裝置，實(shí)現(xiàn)了1750℃拉伸載荷下SiC/SiC復(fù)合材料缺陷損傷演化過程的原位觀測，發(fā)現(xiàn)室溫和高溫下材料裂紋擴(kuò)展行為存在差異。

美國加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的超高溫原位加載CT裝置

 

國內(nèi)外現(xiàn)有的力學(xué)原位CT表征裝置主要采用將力熱加載裝置放于轉(zhuǎn)臺(tái)同步旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行CT成像，精密轉(zhuǎn)臺(tái)承重較小且X射線穿透路徑上要求材料相對(duì)于X射線透明，以實(shí)現(xiàn)更好的成像效果，因此現(xiàn)有裝置采用較薄的鋁合金、有機(jī)玻璃或者碳玻璃等材料搭建，加載能力小于5000 N，無法滿足大尺寸復(fù)合材料試樣的原位表征需求。

北京理工大學(xué)方岱寧院士課題組采用實(shí)驗(yàn)室微焦點(diǎn)X射線成像與試驗(yàn)機(jī)上下夾頭同步旋轉(zhuǎn)控制的方法，將大載荷試驗(yàn)機(jī)與CT成像系統(tǒng)集成，搭建了國內(nèi)首臺(tái)100 kN大載荷原位加載雙源雙探CT成像系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上，集成搭建了-200℃超低溫與1200℃高溫原位CT表征裝置。

基于該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了-180℃玻璃纖維/環(huán)氧樹脂編制復(fù)合材料（WFCs）、室溫短碳纖維增強(qiáng)聚合物（SCFRP）復(fù)合材料和1000℃陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）拉伸載荷下?lián)p傷演化的定量分析，并發(fā)展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料CT圖像識(shí)別、提取與動(dòng)態(tài)追蹤方法，分析了孔洞、裂紋、經(jīng)緯紗等特征參數(shù)在不同載荷下的演化過程，并通過數(shù)字體相關(guān)方法測量了試樣三維變形場，揭示了復(fù)合材料的失效機(jī)理。

北京理工大學(xué)的高低溫原位CT裝置

CT表征與原位CT表征方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料缺陷的檢測與表征，近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，為復(fù)合材料復(fù)雜的宏微觀缺陷檢測表征評(píng)價(jià)提供了有力的工具，同時(shí)試驗(yàn)方法的發(fā)展為極端環(huán)境下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

 

渦流檢測

渦流檢測（ET）是利用導(dǎo)電材料的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過測量感應(yīng)量的變化進(jìn)行無損檢測的方法，適用于導(dǎo)電材料、碳-碳復(fù)合材料與金屬基復(fù)合材料的檢測。由于端頭效應(yīng)的存在，該方法在邊界處的檢測效果不好，同時(shí)需要用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行對(duì)比，因此其應(yīng)用受到了限制。

 

脈沖紅外熱成像檢測

脈沖紅外熱成像的工作原理是利用主動(dòng)加熱技術(shù)，通過紅外熱成像系統(tǒng)自動(dòng)記錄試件表面缺陷和基體材料由于不同熱特性引起的溫度差異，進(jìn)而判定被測物表面及內(nèi)部的損傷。

該方法具有非接觸、實(shí)時(shí)、高效、直觀的特點(diǎn)，十分適合于檢測復(fù)合材料薄板與金屬粘接結(jié)構(gòu)中的脫粘、孔隙率、剝離、分層、分層類面積型缺陷等，尤其是當(dāng)零件或組件不能浸入水中進(jìn)行超聲C掃描檢測，以及零件表面形狀使得超聲檢測實(shí)施比較困難時(shí)，可使用紅外熱波檢測方法。

脈沖紅外熱成像

太赫茲檢測

太赫茲檢測技術(shù)是在太赫茲波譜技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來的。太赫茲波不僅可以透過不透明材料探測材料內(nèi)部的雜質(zhì)、位錯(cuò)、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、孔洞、脫膠以及氧化等缺陷，還可代替紅外應(yīng)用在絕熱材料和熱敏感材料的檢測中。并且由于太赫茲波的低能性，不會(huì)對(duì)被檢材料造成結(jié)構(gòu)上的破壞，也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射。

利用超聲波檢測時(shí)必須與被檢測對(duì)象接觸，且在某些材料中，聲波衰減率很大，而太赫茲波對(duì)這些材料仍然可行，且可在不接觸被測材料的情況下對(duì)其進(jìn)行檢測，因此可將太赫茲檢測作為一種互補(bǔ)手段，針對(duì)復(fù)合材料、高分子材料進(jìn)行檢測。

太赫茲時(shí)域波譜（THz-TDS）技術(shù)是一種可以同時(shí)獲得太赫茲脈沖的相位和振幅的相干檢測技術(shù)，經(jīng)典光路包括透射型光路、反射型光路、差異型光路、啁啾展寬型光路4種。基于THz-TDS系統(tǒng)的掃描成像可分為透射型掃描和反射型掃描兩種方式。

太赫茲時(shí)域波譜掃描成像系統(tǒng)

 

太赫茲波對(duì)高分子材料的特殊性質(zhì)，使得太赫茲無損檢測技術(shù)可以應(yīng)用在高分子材料、復(fù)合材料內(nèi)部及表面缺陷的檢測中。為保證材料在后期使用過程中的可靠性，在復(fù)合材料的生產(chǎn)、加工、使用過程中對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測十分必要。利用太赫茲檢測技術(shù)可以在上述各個(gè)環(huán)節(jié)有效檢測復(fù)合材料可能產(chǎn)生的各種缺陷，而關(guān)于太赫茲檢測技術(shù)工業(yè)化及其檢測設(shè)備小型化的研究已成為當(dāng)下無損檢測領(lǐng)域研究的又一熱點(diǎn)。國內(nèi)外對(duì)太赫茲技術(shù)應(yīng)用在復(fù)合材料檢測方面已有成功案例，但總體來講，太赫茲無損檢測技術(shù)剛剛起步，許多難關(guān)還有待攻克。

太赫茲檢測

3、復(fù)合材料缺陷評(píng)價(jià)方法

早期對(duì)于復(fù)合材料缺陷特征的量化與殘余性能的評(píng)價(jià)多采用實(shí)驗(yàn)方法，近年來數(shù)值模擬方法也得到了廣泛應(yīng)用，可以大幅度降低復(fù)合材料研發(fā)周期，揭示復(fù)合材料損傷機(jī)理。隨著CT三維表征與數(shù)值計(jì)算能力的提升，CT圖像驅(qū)動(dòng)的圖像有限元方法也提供了一種考慮缺陷真實(shí)幾何特征的復(fù)合材料損傷演化與強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)方法。

1）預(yù)制缺陷方法

預(yù)制缺陷方法是指通過人為設(shè)計(jì)模擬復(fù)合材料缺陷，在復(fù)合材料中預(yù)制代表真實(shí)缺陷的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征，批量化地獲取含缺陷的復(fù)合材料，之后定量化分析缺陷類型、缺陷尺寸等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響機(jī)制。

此類方法的缺陷是人為在特定的條件下刻意預(yù)制，難以對(duì)缺陷的形狀、大小及產(chǎn)生位置上進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，并不能真實(shí)反映在實(shí)際生產(chǎn)工藝中復(fù)合材料的真實(shí)缺陷數(shù)量與幾何特征。

 

2）基于缺陷統(tǒng)計(jì)信息的數(shù)值模擬方法

(1) 孔隙缺陷

復(fù)合材料孔隙缺陷的尺寸主要集中于微米級(jí)，研究人員采用代表體積元（RVE）模型研究孔隙對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，代表體積元模型基于復(fù)合材料中周期性分布的基本假設(shè)，選取一個(gè)具有代表性的典型單元進(jìn)行性能分析，隨后基于均勻化的方法獲得材料的力學(xué)響應(yīng)。

針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的代表體積元模型通常由纖維（纖維束）、基體和界面三部分組成，孔隙的模擬主要通過在基體幾何模型中引入孔洞，建立包含孔洞的數(shù)值計(jì)算模型，研究孔隙含量、形狀、大小和空間分布對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

 

(2) 纖維扭結(jié)

纖維扭結(jié)的缺陷評(píng)價(jià)方法主要通過建立具有不同曲率與空間位置的纖維RVE模型分析缺陷對(duì)材料的影響，這種方法需要模型在沿纖維方向具備相當(dāng)尺寸以體現(xiàn)纖維曲率及空間位置影響。

 

(3) 分層缺陷

復(fù)合材料分層缺陷的評(píng)價(jià)主要通過復(fù)合材料宏觀建模中引入缺陷進(jìn)行研究，從數(shù)值方法來看，對(duì)分層缺陷及擴(kuò)展的模擬方法主要包括擴(kuò)展有限元方法（XFEM）、內(nèi)聚力模型（CZM）和虛擬裂紋閉合方法（VCCT）。

 

3、圖像有限元方法

CT掃描技術(shù)為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的缺陷高保真、高精度評(píng)價(jià)提供了新的解決途徑。基于CT掃描重構(gòu)可以獲取復(fù)合材料的真實(shí)數(shù)字化幾何模型，將幾何模型直接網(wǎng)格劃分獲得考慮缺陷真實(shí)幾何形貌的復(fù)合材料有限元數(shù)值分析模型，最終預(yù)測外載下復(fù)合材料的響應(yīng)，這種方法被稱為圖像有限元方法。

圖像有限元方法的工作流程大致可分為4個(gè)步驟：通過體積或表面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化成像、將圖像轉(zhuǎn)化為虛擬幾何模型、將幾何模型處理為有限元數(shù)值分析格式及基于圖像有限元模型的仿真、可視化及后處理。

圖像有限元方法已廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分析中，其中的核心問題是復(fù)合材料組元與缺陷的分割建模和有限元網(wǎng)格劃分。CT吸收成像通過X射線穿過不同物質(zhì)的穿透率不同進(jìn)行成像，然而碳纖維樹脂基復(fù)合材料增強(qiáng)相和基體的射線吸收率較為貼近，CT成像對(duì)比度較差，復(fù)合材料組元分割是難點(diǎn)。

 復(fù)合材料圖像有限元計(jì)算模型

 

總體而言，圖像有限元技術(shù)在復(fù)合材料缺陷影響評(píng)價(jià)研究中具有廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)含制作工藝缺陷的大型復(fù)合材料構(gòu)件，基于Micro-CT掃描結(jié)果采用圖像有限元方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)多尺度 “數(shù)字孿生”模型的研究方法，對(duì)于預(yù)測大型復(fù)材構(gòu)件的在軌運(yùn)行性能、評(píng)價(jià)含缺陷裝備性能與可靠性意義重大。

 

結(jié)語與展望  

復(fù)合材料的缺陷檢測與評(píng)價(jià)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、裝配與服役的安全保障，復(fù)合材料缺陷檢測表征評(píng)價(jià)未來需要重點(diǎn)關(guān)注的工程與科學(xué)問題，主要包括以下幾個(gè)方面：

1、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷多尺度評(píng)價(jià)

單一檢測方法對(duì)復(fù)合材料多尺度缺陷具有局限性，建立多種檢測方法相結(jié)合的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷評(píng)價(jià)方法，評(píng)估宏微觀缺陷對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影響機(jī)制。

2、極端環(huán)境下復(fù)合材料缺陷檢測與評(píng)價(jià)

復(fù)合材料低溫貯箱、復(fù)合材料熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件在服役過程中面臨著超高溫、超低溫、冷熱交變、失重、高真空等極端環(huán)境影響，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)極端環(huán)境缺陷原位檢測評(píng)價(jià)方法，是亟須解決的關(guān)鍵工程及科學(xué)問題。

3、在軌檢測表征評(píng)價(jià)與數(shù)字孿生技術(shù)

深空探測、載人登月等新一代航天任務(wù)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)，長期服役極端載荷下，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷在軌檢測與表征，發(fā)展人工智能算法驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字孿生評(píng)價(jià)技術(shù)，是亟待解決的焦點(diǎn)問題。

作者：王潘丁，牛國浩，李元晨，章凌，雷紅帥